方向性切变基流下的地形重力波动量传输及参数化研究

Gravity waves triggered by mesoscale and small-scale mountains are important physical processes coupling the troposphere and middle and upper atmosphere, which play an important role for the momentum and energy budgets of atmospheric general circulation. However, the momentum transport by orographic gravity waves is not well represented by even the state-of-the-art parameterization schemes, thus leading to the occurrence of systematic errors in the model. The momentum transport of orographic gravity waves generated in directional shear flows is studied in this project by using the Gaussian Beam Approximation (GBA) method and numerical simulation. The influence of directional shear of horizontal wind on the momentum transport of orographic gravity waves is examined for the global atmosphere. A new parameterization scheme is then established for orographic gravity waves in directional shear flows. This new scheme is evaluated for both short and medium-range numerical weather forecasts and long-term climate simulations, which can provide useful insights for the improvement of numerical weather and climate prediction under the condition of complex topography.

中小尺度地形激发的重力波是对流层和中高层大气耦合的重要物理过程，对大气环流的动量和能量收支具有重要影响。然而，现有的地形重力波参数化方案对地形重力波动量传输的表征并不完善，从而导致数值模式出现系统性误差。本项目根据高斯波束近似理论和数值模拟，对方向性切变基流下的地形重力波动量传输进行研究，探讨全球大气水平风场的方向性垂直切变对地形重力波动量传输的影响；在此基础上，建立方向性切变基流下的地形重力波参数化方案，研究新方案对中短期数值天气预报以及长期气候模拟的影响，从而提高数值模式在复杂地形条件下的预报水平。

地形重力波是对流层和中层大气耦合的重要过程，通过垂直动量传输影响大气环流的动量和能量收支。在数值模式中，地形重力波通常为次网格过程，需要对其进行参数化。过去研究主要关注定常基流中产生的地形重力波。然而实际大气的风场方向经常随高度变化，即方向性切变基流。对此，本项目根据线性波动理论和数值模拟，研究了方向性切变基流下的非静力地形重力波动量传输机制，揭示了地形重力波的举力效应，构建了包含地形重力波举力和拖曳的参数化方案。通过将该方案应用到WRF数值模式并开展全球和区域模拟，阐明了地形重力波对北半球冬季平流层极夜急流、东亚夏季风环流以及强对流等多尺度大气运动的影响机理。结果表明，方向性风切影响最显著的地区在两极。一阶线性风切总是减小地形重力波地表动量通量，而二阶非线性切变在1（7）月份主要是增加（减少）地表动量通量。方向性风切通过减小地形重力波振幅抑制低层重力波破碎，从而将更多动量上传至高层，增强中层大气的地形重力波强迫。与传统地形重力波参数化方案相比，新方案能够增强中纬度地区对流层的地形重力波强迫，同时减少高纬地区平流层的行星罗斯贝波强迫。在两者共同作用下，新方案提高了对北半球冬季平流层极夜急流的模拟。地形重力波参数化同样能够改善对东亚夏季风环流的模拟。华南地区的低层重力波拖曳能显著减弱该地区的对流层低层西南风偏差，而东亚中纬地区对流层上层的地形重力波拖曳通过和副热带急流的相互作用也能间接减少中国东部的西南风偏差。地形重力波日变化对强对流触发具有重要作用。夜间为稳定边界层，地形激发较强的重力波活动，波动的抬升冷却在低层大气形成湿绝对不稳定层。白天为对流性边界层，地形重力波消亡但湿绝对不稳定层依然维持。在白天山谷风环流作用下，地形上方的辐合抬升增强，湿绝对不稳定层受扰动触发强对流。项目研究成果促进了对地形重力波动量传输机制及其天气气候效应的认识，提高了数值模式在复杂地形下的预报水平。